基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器

摘要

本发明提出一种基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，用于解决用于解决现有宽带功分器功分比低的技术问题；包括介质基板、地板、主枝节、第一枝节和第二枝节；介质基板下表面印制有地板，介质基板的上表面包括主枝节、第一枝节和第二枝节，主枝节采用两节阶梯渐变微带结构，第一枝节包括平行短路三线耦合传输线，该传输线中的三条传输线的尾部设置有金属化过孔，第二枝节采用三节阶梯渐变微带结构，第一枝节和第二枝节通过T型微带结与主枝节相连。本发明在保证宽带的前提下，实现了高功分比特性。

权利要求

1.一种基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，包括介质基板(1)和印制在其下表面的地板(2)，其特征在于：所述介质基板(1)的上表面印制有微带功分电路，所述微带功分电路包括主枝节(3)、第一枝节(4)和第二枝节(5)，其中，所述主枝节(3)采用两节阶梯渐变微带结构，用于实现输入端口与第一枝路和第二枝路的阻抗匹配；所述第一枝节(4)包括平行短路三线耦合传输线(41)，该传输线(41)中的三条传输线的尾部设置有金属化过孔(6)，用于实现宽带高阻抗特性；第二枝节(5)采用三节阶梯渐变微带结构，用于实现与输出端口的阻抗匹配，并与第一枝节(4)共同调节功分比；所述第一枝节(4)和第二枝节(5)通过T型微带结与主枝节(3)相连。

2.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，其特征在于：所述主枝节(3)，由相互连接的微带传输线(31)和λ/4阻抗变换器(32)组成，其中，λ是电磁波在介质基板中的波长。

3.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，其特征在于：所述平行短路三线耦合传输线(41)，其后依次连接有高阻抗匹配单元(42)、蛇形微带线(43)和微带传输线(44)。

4.根据权利要求3所述的基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，其特征在于：所述高阻抗匹配单元(42)，采用蛇形微带线结构或平行短路三线耦合传输线结构。

5.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，其特征在于：所述三节阶梯渐变微带结构，由宽度依次减小的微带传输线(51)、λ/4阻抗变换器(52)和微带传输线(53)组成。

说明书

基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器

技术领域

[0001] 本发明属于天线技术领域，涉及一种高功分比不等分宽带功分器，具体涉及一种基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，可用于无线通信中的天线阵列的馈电网络中。技术背景

[0002] 功分器，全称功率分配器，它可以将一路输入的信号能量分成相等的或者不等的两路或者多路输出信号能量，是雷达和天线阵列馈电网络必不可少的元器件。随着宽带天线技术和相控阵天线技术的不断发展，对功分器也提出了更高的要求，带宽要求更高，功率分配比例更大，尤其是由宽带天线组成相控阵时，更是要同时满足高带宽和高功分比的需求。目前，功分器按路数可以分为：二路、三路和四路以及通过级联实现的多路功分器；按能量分配的比例可以分为：等分功分器和不等分功分器；按传输线类型可以分为：波导功分器、带状线功分器和微带功分器。功分器的主要技术参数为回波损耗、插入损耗和带宽等。

[0003] 宽带功分器实现时主要包括以下方式:(1)采用多级阶梯阻抗结构进行阻抗匹配；(2)通过并联短路或者开路枝节实现高宽带特性；(3)使用具有宽带特性的传输线实现高带宽特性；但是在保持高宽带的前提下，设计高功分比的微带功分器时，会遇到如下难点：实现高功分比功分器时，需要两枝节的输入阻抗有较高的比值，而高阻抗线进行加工时，由于工艺水平的限制导致其线宽无法做到很窄，加工精度难以实现。要克服上述问题，实现所需的高阻抗微带线主要包括以下方式(1)利用缺陷地结构的高阻抗特性实现高阻抗线；(2)利用平行短路耦合线实现高阻抗线。(3)加入集总元件实现高阻抗线。第一种方式可以实现高宽带特性，但是由于缺陷地结构缺少完备的设计公式，需要大量的时间进行调试，而且由于要对地板开槽，结构比较复杂，适用的范围比较窄。第二种方式可以实现很高的特性阻抗，但是由于耦合线是窄带结构，不适合设计宽带功分器。第三种方法因为加入了集总元件，会导致产生较高的插入损耗，而且集总元件的高频性能比较差，无法推广用于高频微波电路的设计。

[0004] Shiwei Zhao等人在Proceedings of 2010IEEE International Conference on Ultra-Wideband发表的《An Unequal Broadband Power Divider Using Composite Right/Left-Handed Transmission Lines》中公开了一种使用复合左右手材料传输线宽带不等分功分器，该功分器包括介质基板和印制在其下表面的地板，介质基板上面印制有微带功分电路，包括主枝节、第一枝节和第二枝节，主枝节包括一条微带传输线，用于与输入端口相连；第一枝节包括一条复合左右手传输线，用于实现宽带高阻抗线；第二枝节包括一条微带传输线，用于与输出端口相连；所述的第一枝节和第二枝节通过T型微带节与主枝节相连。该功分器在1.62GHz到2.75GHz频带内实现了宽带不等分功分特性，达到了53％的相对带宽，并且在整个工作频带内回波损耗S11性能较好，达到了-20dB。但是存在以下不足：只实现了4:1的功分比，功分比较低；由于大量使用集总元件，结构比较复杂，插入损耗高；
集总元件的高频性能较差，无法推广用于高频微波电路的设计。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，用于解决现有宽带功分器功分比低的技术问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，包括介质基板1和印制在其下表面的地板2，所述介质基板1的上表面印制有微带功分电路，所述微带功分电路包括主枝节3、第一枝节4和第二枝节5，其中，所述主枝节3采用两节阶梯渐变微带结构，用于实现与输入端口的阻抗匹配；所述第一枝节4包括平行短路三线耦合传输线41，该传输线41中的三条传输线的尾部设置有金属化过孔6，用于实现宽带高阻抗特性；第二枝节5采用三节阶梯渐变微带结构，用于实现与输出端口的阻抗匹配，并与第一枝节4共同调节功分比；所述第一枝节4和第二枝节5通过T型微带结与主枝节3相连。

[0008] 上述基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，主枝节3由相互连接的微带传输线31和λ/4阻抗变换器32组成，其中，λ是电磁波在介质基板中的波长。

[0009] 上述基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，平行短路三线耦合传输线41，其后依次连接有高阻抗匹配单元42、蛇形微带线43和微带传输线44。

[0010] 上述基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，高阻抗匹配单元42，采用蛇形微带线结构或平行短路三线耦合传输线结构。

[0011] 上述基于三线耦合结构的高功分比宽带功分器，阶梯渐变微带结构由宽度依次减小的微带传输线51、λ/4阻抗变换器52和微带传输线53组成。

[0012] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0013] (1)本发明第一枝节采用了平行短路三线耦合传输线实现高阻抗线，使第一枝节和第二枝节的输入阻抗符合一个高比值，在无需在地板开槽线、没有引入集总元件的条件下，实现了高功分比，并且利用了三线耦合的宽带特性，拓宽了带宽，与现有技术相比，在保证宽带的同时简化了功分器的结构，并提高了功分比，仿真结果表明在相对带宽达到40％和30％的情况下，分别实现了10：1和20：1的功分比。

[0014] (2)本发明由于主枝节采用两节阶梯渐变微带结构，克服了利用常规设计方法第二枝节阻抗变化不连续所导致的不等分功分器带宽较窄的缺点，该结构使得第一枝节微带线特性阻抗从大到小逐级递减；第二枝节微带线特性阻抗从小到大逐级递增，减小电磁波在枝节中传播时的反射，与现有的设计方法相比，实现了功分器的高带宽。

附图说明

[0015] 图1是本发明第一实施例的整体结构示意图；

[0016] 图2是图1的俯视图；

[0017] 图3是本发明第一实施例的平行短路三线耦合传输线的阻抗曲线图；

[0018] 图4是本发明不同功分比的S参数仿真曲线图；

具体实施方式

[0019] 以下结合附图和具体实施例，对本发明目的、技术方案和技术效果作进一步描述，应该理解此处描述的具体实施例仅用于对本发明的解释，不视为对本发明的限制。

[0020] 实施例1

[0021] 参见图1，本实施例描述的是中心频率为2.4GHz、功分比为10：1的宽带功分器，包括介质基板1以及在其下表面的地面2，介质基板1上表面印制有微带功分电路，包括主枝节3、第一枝节4和第二枝节5。其中，主枝节3采用两节阶梯渐变微带结构，由相互连接的微带传输线31和λ/4阻抗变换器32组成，其中，λ是电磁波在介质基板中的波长，用于实现输入端口与第一枝节和第二枝节的阻抗匹配。主枝节3通过T型微带结与第一枝节4和第二枝节5相连。第一枝节4包括平行短路三线耦合传输线41，其第二条传输线连接其前端结构，并将其第一和第三条传输线的头部并联后连接其后端结构，其三条传输线的尾部设置有金属化过孔6，用于实现宽带高阻抗特性，短路三线耦合传输线41后依次连接有高阻抗匹配单元42、蛇形微带线43和微带传输线44，用于实现平行短路三线耦合传输线41与输出端口的匹配。
高阻抗匹配单元42在功分比k2≤10时，为了实现阻抗匹配所需的高阻抗微带线在目前加工工艺可加工范围内，为了减小电路尺寸，故采取蛇形微带结构。第二枝节5包括微带传输线
51，用于与平行短路三线耦合传输线41共同调节功分比，依次连接λ/4阻抗变换器52和微带传输线53，用于实现传输线51与输出端口的阻抗匹配。

[0022] 参见图2，本实施例的介质基板1优选材料为Rogers 5880，其介电常数εr＝2.2，介质板厚度h＝1mm，损耗角正切tanδ＝0.0009。微带传输线31的线长为L50，其优选值为5mm，线宽为W50，其优选值为3.02mm；λ/4阻抗变换器32的线长为L1,其优选值为22.5mm线宽为W1，其优选值为4.68mm；平行短路三线耦合传输线41的线长为Lc，其优选值为22.5mm，线宽为Wco，其优选值为0.33mm，线距为s，其优选值为0.54mm；金属化过孔直径优选值为0.3mm；高阻抗匹配单元42采取蛇形微带结构，线长为L2，其优选值为22.5mm线宽为W2，其优选值为
0.2mm；蛇形微带线43线长为L3，其优选值为22.5mm，线宽为W3，其优选值为1.09mm；微带传输线44线长为L50，其优选值为5mm，线宽为W50，其优选值为3.02mm；微带传输线51线长为L4，其优选值为22.5mm，线宽为W4，其优选值为6.17mm；λ/4阻抗变换器52线长为L5，其优选值为22.5mm，线宽为W5，其优选值为4.82mm；微带传输线53线长为L50，其优选值为5mm，线宽为W50，其优选值为3.02mm。

[0023] 实施例2

[0024] 本实施例描述的是中心频率为2.0GHz、功分比为20：1的宽带功分器，其除高阻抗匹配单元42外，其他结构与实施例1相同，仅对部分参数进行了调整。高阻抗匹配单元42在功分比k2>10时，为了实现阻抗匹配所需的高阻抗微带线使用目前加工工艺无法实现，故采用了平行短路三线耦合传输线，其尾部设置有金属化过孔，其前端连接平行短路三线耦合传输线41，其后端连接蛇形微带线43，其他结构与实施例1相同。

[0025] 介质基板1优选材料为Rogers4003，其介电常数εr＝3.55，介质板厚度h＝0.813mm，损耗角正切tanδ＝0.0009。微带传输线31的线长为L50，其优选值为5mm，线宽为W50，其优选值为1.79mm；λ/4阻抗变换器32的线长为L1,其优选值为23mm线宽为W1，其优选值为2.83mm；平行短路三线耦合传输线41的线长为Lc，其优选值为23.52mm，线宽为Wco，其优选值为0.3mm，线距为s，其优选值为0.806mm；金属化过孔直径优选值为0.2mm；高阻抗匹配单元42采用平行短路三线耦合传输线，线长为Lc1，其优选值为23.52mm，线宽为Wco1，其优选值为0.80mm，线距为s1，其优选值为0.302mm；金属化过孔直径优选值为0.5mm；蛇形微带线43线长为L3，其优选值为23mm，线宽为W3，其优选值为0.78mm；微带传输线44线长为L50，其优选值为5mm，线宽为W50，其优选值为1.79mm；微带传输线51线长为L4，其优选值为
23mm，线宽为W4，其优选值为3.79mm；λ/4阻抗变换器52线长为L5，其优选值为21mm，线宽为W5，其优选值为2.65mm；微带传输线53线长为L50，其优选值为5mm，线宽为W50，其优选值为
1.79mm。

[0026] 以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

[0027] 1、仿真条件和内容

[0028] 1.1利用商业仿真软件(Advanced Design System ADS ver.2015.01)对实施例1的平行短路三线耦合传输线41的特性阻抗在1-4GHz范围内进行了仿真计算，结果如图3所示。

[0029] 1.2利用商业仿真软件(Advanced Design System ADS ver.2015.01)对实施例1的S参数在1.6-3.2GHz范围内进行仿真计算，结果如图4(a)所示。

[0030] 1.3利用商业仿真软件(Advanced Design System ADS ver.2015.01)对实施例2的S参数在1.4-2.8GHz范围内进行仿真计算，结果如图4(b)所示。

[0031] 2.仿真结果

[0032] 参见图3，实施例1中的平行短路三线耦合传输线在2.45GHz的特性阻抗达到了310Ω，远超单根微带线所能达到最高阻抗在120-130Ω的限制，可以用于实现10：1宽带功分器设计过程中所需的高阻抗线。

[0033] 参见图4(a)，实施例1在1.8GHz-3.0GHz频带内S11＜-20dB，在1.93GHz-2.88GHz频带内，S31和S21的分别为-10±0.8dB和-0.3±0.2dB，S31-S21＝-10dB，实现了10：1的功分比,相对带宽为40％。

[0034] 2、参见图4(b)，实施例2在1.5GHz-2.5GHz频带内S11＜-20dB，在1.75GHz-2.35GHz频带内，S31和S21分别为-13±0.9dB和-0.2±0.1dB，S31-S21＝-13dB，实现了20：1的功分比，相对带宽为30％。